黃土高原地區生態系統碳儲量空間分布及其影響因素

李妙宇,上官周平, 3,鄧 蕾

1 中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 楊凌 712100 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 西北農林科技大學水土保持研究所, 楊凌 712100

全球氣候變化背景下,陸地生態系統在全球碳循環中扮演著重要角色,日益受到國際社會的廣泛關注。據估算,全球每年自然與人為源CO2的總排放量約為250 Pg,而全球生態系統吸收為230 Pg,全球碳循環平衡受到挑戰[1]。陸地生態系統是地表的重要組成部分,可通過地表植物的光合作用不斷吸收大氣中的CO2,并通過一系列的生物物理化學作用將其固定在植物和土壤內,以減緩全球氣候變化[2]。碳排放不僅涉及全球氣候變化這一科學問題,也與各國政治、經濟發展密切相關,近幾十年來,各國政府均采取一系列措施來提高陸地生態系統的碳儲量以期抵消經濟發展中的碳排放[3]。

黃土高原是世界上水土流失最嚴重的地區之一,生態環境脆弱,易受極端氣候干擾[4]。為減緩水土流失,改善生態環境,我國政府實施了一系列的生態恢復工程,其中,于1999年正式啟動的退耕還林(草)工程將黃土高原地區作為其重點戰略區域[5],經過近20年的發展,退耕還林(草)工程取得了顯著成效,植被覆蓋度明顯提高[6-7],必然會引起生態系統固碳效益發生顯著提高[5]。已有研究表明,黃土高原地區植被恢復后生態系統在碳平衡方面起著重要作用,固碳潛力巨大[8- 11]。目前,關于黃土高原碳儲量的研究,一方面多通過樣點調查、清查資料等進行樣地、流域尺度的碳儲量估算[12-13],或通過多源數據建模[14-16]等方法進行大尺度碳儲量估算；另一方面多以單個生態系統如森林、草地、農田、或單一類型碳庫如植被碳庫,土壤碳庫進行估算[17-18]。估算方法多樣,尺度不一,導致研究間存在很大差異,很難進行綜合比較,亟需基于大量可靠樣點數據進行黃土高原碳儲量分區估算以及碳密度空間分布研究。另外,碳密度的空間格局受各種因素的共同影響,包括土地利用、氣象、地形、植被覆蓋、土壤質地等[5,19-20]。關于碳密度空間分異影響因素分析,在全國尺度上已有較為詳盡的相關研究[19-20],但多側重于氣象因子的影響分析,而單一的氣象與土壤粘粒含量并不能充分地預測區域生態系統碳儲量[21]。而對黃土高原地區來說,不同生態系統碳儲量的主控因子以及不同因子的相對影響大小和作用路徑亦不明確。因此,準確估算黃土高原生態系統碳儲量,探明其空間分布及其驅動因素對于科學指導區域生態管理以及未來政策的制定具有重要意義。

本研究利用大量野外實測數據分別對黃土高原地區森林、草地、農田生態系統的植被地上、地下生物量和土壤有機碳碳儲量進行估算,評估整個黃土高原地區的生態系統碳儲量與空間分布格局,并結合多源氣候、地形、土壤和植被覆蓋數據,評估各因子對碳儲量空間分布的影響,以期為黃土高原固碳能力評估以及區域未來政策制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黃土高原地區位于33°41′—41°16′N,100°52′—114°33′E之間,地處我國黃河中游,跨青海省、甘肅省、寧夏回族自治區、陜西省、內蒙古自治區、山西省及河南省7個省區,總面積約64萬km2,約占我國陸地總面積的6.7%,是世界上最大的黃土堆積區,區域平均黃土厚度92.2 m[22],受人類活動以及自然條件等多方面因素影響,土壤侵蝕與水土流失現象嚴重,多年平均侵蝕輸沙模數在 1921—3355 t km-2a-1之間[23],地形破碎且溝壑縱橫。黃土高原地區以大陸性季風氣候為主,自東南向西北由暖溫帶半濕潤區逐漸向暖溫帶半干旱區,中溫帶半干旱區過渡,多年平均氣溫7.3 ℃,多年平均降水量447 mm,年際及年內變化較大,年內多集中在7—9月[24]。黃土高原地區林地(包括喬木和灌木)、草地和農田的面積分別為14.2、34.3、9.7萬km2,分別占整個黃土高原面積的22%、54%、15%。

根據降雨量與植被類型的不同,黃土高原地區自東南向西北分為5個生物氣候區,分別是:半濕潤森林區(Ⅰ),半濕潤半干旱林草區(Ⅱ),半干旱典型草地區(Ⅲ),干旱半干旱荒漠草地區(Ⅳ),干旱荒漠區(Ⅴ)(表1)[25]。

表1 黃土高原地區生物氣候分區

圖1 研究區及樣點分布Fig.1 Study area and sampling sites on the Loess PlateauⅠ半濕潤森林區(森林草原);Ⅱ半濕潤半干旱林草區;Ⅲ半干旱典型草地區(典型草原);Ⅳ干旱半干旱荒漠草地區;Ⅴ干旱荒漠區

1.2 數據來源及預處理

黃土高原地區土地利用數據采用朱源等[26]制作的“2015年黃土高原土地利用/覆被柵格數據”,分辨率250 m,該數據以Landsat 8衛星OLI遙感影像為數據源,將計算機自動分類和人工目視修改相結合,解譯分類精度較高；年均溫度(MAT)年均降水(MAP)等氣象數據采用中國科學院資源環境科學數據中心的數字化空間產品:“中國氣象背景數據集”(http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=253),分辨率500 m,該柵格數據由氣象站點建站到上世紀末站點數據使用反向距離加權法插值而來,其中MAT數據經過了DEM校正；土壤質地柵格數據來自中國科學院資源環境科學數據中心“中國土壤質地空間分布數據”(http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=260),該數據集包括土壤砂粒、粉粒、粘粒含量,分辨率1 km；DEM(Digital Elevation Model 數字高程模型)數據來自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),分辨率500 m,由DEM數據計算衍生坡度、坡向地形數據；NDVI(Normalized Difference Vegetation Index 歸一化植被指數)采用中國科學院資源環境科學數據中心產品“中國年度植被指數空間分布數據集”數據,分辨率1 km,該數據集包含由年內多幅數據使用最大值合成法分別合成的各年份NDVI數據(http://www.resdc.cn/DOI/doi.aspx?DOIid=49),將2010—2018年數據進行柵格計算,以多年均值代表植被覆蓋狀況。收集各類數據后,使用黃土高原地區的空間范圍矢量文件對各柵格數據進行掩膜提取,得到黃土高原地區的各類柵格數據。

碳密度數據引用徐麗等[27]發表的數據集,該數據集包括文獻數據以及實測數據兩部分,收集了森林(包括喬木林和灌木林)、草地、農田等多種生態系統類型的植被地上地下生物量碳密度以及0—100 cm土壤有機碳密度數據,在整個數據集的構建的過程中實施了嚴格的質量控制。由于數據集中黃土高原地區灌木樣點少且空間分布極不均勻,難以進行有效空間插值分析,故將喬木與灌木兩種生態系統類型與樣點合并處理。將碳密度數據根據樣點經緯度導入ArcGIS10.2生成矢量點數據,為進一步保證數據點的準確性,根據黃土高原地區各生態系統類型矢量文件對數據庫樣點進行裁剪,裁剪出黃土高原地區與對應經緯度生態系統類型一致的樣點,分別建立森林、草地、農田不同碳庫的樣點集,其中森林生態系統地上生物量、地下生物量、土壤有機碳樣點數分別為121、145、167；草地生態系統地上生物量、地下生物量、土壤有機碳樣點數分別為318、239、73；農田生態系統0—100 cm土壤有機碳樣點數為190。將MAT、MAP、NDVI、DEM、坡度、坡向、土壤砂粒、粉粒、粘粒含量等各因子數據從各柵格文件提取到各樣點。

1.3 數據分析

1.3.1碳密度插值分析

克里金方法是地統計學中最常用的空間插值方法,以變異函數為基礎,可在一定區域內對某一變量未知位置進行線性最優無偏估計。該方法考慮了樣本點的空間方位以及與未知樣點的空間關系,且可在完成全局預測之后在數據點上對插值結果進行交叉驗證,對插值結果進行評估[28]。已有研究對比分析結果表明,克里金法更適合于碳密度空間插值,插值精度更高[29-30]。

使用ArcGIS的地統計分析模塊對黃土高原地區不同生態系統不同碳庫碳密度進行克里金空間插值,對未知點進行估算,生成預測表面,繪制相應的黃土高原地區生態系統碳密度空間分布圖。在插值之前通過K-S檢驗方法結合探索性數據分析模塊的正態QQ圖檢驗每類數據點碳密度是否符合正態分布或近正態分布,若不服從正態且明顯偏態,將數據進行對數轉換之后再進行空間插值。比較各模型預測結果的平均預測誤差以及均方根誤差,使其分別接近0和1,且預測與真值的擬合線接近1:1線,選擇最優模型進行空間插值。

基于插值結果柵格,使用區域分析工具對各生物氣候區以及整個黃土高原地區的不同生態系統類型各碳庫碳密度進行統計分析,分別統計其在各區域內的最小值、最大值、平均值以及碳儲量。

1.3.2統計分析

基于樣點數據對碳密度與各因子的關系進行統計分析。分別計算地上生物量碳密度、地下生物量碳密度、土壤有機碳碳密度與經緯度,氣象(MAT,年均溫度；MAP,年均降水),植被覆蓋狀況(NDVI),土壤質地(砂粒、粉粒、粘粒含量),地形(DEM、坡向、坡度)等因子的相關性,判斷各碳庫碳密度與各因子的相關性強度,使用路徑分析方法構建影響路徑,進一步判別各因子對碳密度的影響路徑與強度。使用Arcgis10.2進行空間插值地統計與制圖,使用Origin 2018進行樣點數據的統計分析,使用Amos17.0進行路徑分析。

2 結果分析

2.1 生態系統碳儲量現狀及其空間分布

黃土高原地區生態系統總碳儲量約為2.29 Pg,其中地上生物量碳儲量、地下生物量碳儲量、土壤有機碳儲量分別為0.44、0.32和1.52 Pg,約占總生態系統碳儲量的19%、14%和67%(表2)。自東南向西北分布的各生物氣候區碳儲量分別為0.69、0.70、0.51、0.31和0.09 Pg,大小順序為:Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ,呈逐漸減小的趨勢。

表2 黃土高原不同氣候區不同生態系統碳密度和碳儲量

黃土高原地區不同碳庫碳密度具有明顯的空間異質性,且不同生態系統類型碳密度差異較大。地上生物量碳密度、地下生物量碳密度、土壤有機碳密度以及黃土高原總生態系統碳密度空間分布格局均較破碎,整體呈自東南向西北減小的趨勢,各區域平均碳密度均為:Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ。地上生物量碳密度的變化范圍為0.001—0.743 t/hm2,平均碳密度0.09 t/hm2,在生物氣候Ⅰ區最高,平均值為0.225 t/hm2,向西北逐漸降低；在生物氣候Ⅴ區,僅為0.024 t/hm2。地下生物量碳密度的變化范圍為0.001—0.743 t/hm2,平均碳密度0.065 t/hm2,與地上生物量碳密度空間格局相似,在東南部的生物氣候Ⅰ區最高,向西北逐漸降低。土壤有機碳密度自東向西,自南向北逐漸降低,變化范圍為0.022—1.259 t/hm2,平均碳密度0.261 t/hm2,在生物氣候Ⅰ區以及Ⅱ區的東部,土壤有機碳密度較高,可達0.45 t/hm2以上；在黃土高原地區西北部,土壤有機碳密度最低。黃土高原總生態系統碳密度變化范圍為0.049—1.654 t/hm2,平均碳密度0.393 t/hm2,空間格局與土壤有機碳密度空間格局相似(圖2),自東南向西北各生物氣候區平均碳密度分別為0.539、0.467、0.337、0.275、0.232 t/hm2,也呈逐漸降低趨勢。

圖2 黃土高原不同碳庫碳儲量空間分布Fig.2 Spatial distribution of carbon storages in different carbon pools of the Loess Plateau

2.2 森林生態系統碳儲量現狀及碳密度空間分布

森林生態系統總碳儲量約為0.98 Pg,占黃土高原地區總生態系統碳儲量的43 %,其中地上生物量碳、地下生物量碳、土壤有機碳儲量分別為0.39、0.11和0.48 Pg,分別占森林生態系統總碳儲量的40%、11%和49%。五個生物氣候區碳儲量分別為0.43、0.35、0.11、0.08和0.02 Pg,呈自東南向西北逐漸減小的趨勢,表現為Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ。

森林生態系統主要分布在黃土高原東南部的生物氣候Ⅰ區Ⅱ區以及黃土高原西南部與青藏高原交界處的烏鞘嶺地區,在其它地區零星分布,約占黃土高原面積的32%。森林生態系統地上與地下生物量碳密度變化范圍分別為0.042—0.743和0.013—0.224 t/hm2,平均碳密度分別為0.272和0.078 t/hm2。處于黃土高原東南部的生物氣候Ⅰ區平均碳密度最高,向西逐漸降低,Ⅳ區平均碳密度最低,在各生物氣候區之間Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅳ,空間格局相似。土壤有機碳密度的變化范圍為0.022—1.259 t/hm2,平均碳密度0.338 t/hm2,在各生物氣候區之間Ⅰ>Ⅱ>Ⅴ>Ⅲ>Ⅳ,整體呈自東向西先降低后略升高到西南部再降低的空間變化格局。森林生態系統總碳密度變化范圍為0.136—1.654 t/hm2,平均碳密度0.688 t/hm2,在各生物氣候區之間Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅳ,空間格局與土壤有機碳密度相似(圖3)。

圖3 森林生態系統碳儲量空間分布Fig.3 Spatial distribution of carbon storages in forest ecosystems of the Loess Plateau

2.3 草地生態系統碳儲量現狀及碳密度空間分布

草地生態系統總碳儲量約為1.07 Pg,占黃土高原地區總生態系統碳儲量的48%,其中地上生物量碳,地下生物量碳,土壤有機碳儲量分別為0.032、0.208、0.846 Pg,占草地生態系統總碳儲量的3%、19%、78%。從東南到西北各生物氣候區草地生態系統碳儲量分別為0.146、0.306、0.368、0.214、0.054 Pg,處于黃土高原中部的Ⅲ區,Ⅱ區碳儲量較大,西北部Ⅳ區與東南部Ⅰ區次之,西北端Ⅴ區最小,大小順序依次為:Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅴ(圖4)。

除在生物氣候Ⅰ區分布相對較少之外,草地生態系統廣泛分布于整個黃土高原地區,約占黃土高原面積的41%。草地生態系統地上生物量碳密度變化范圍為0.001—0.026 t/hm2,平均碳密度為0.009 t/hm2,各生物氣候區平均碳密度Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ,呈自東南向西北逐漸降低的空間格局,位于黃土高原東南部的Ⅰ區、Ⅱ區碳密度較高,位于黃土高原西北部Ⅳ區、Ⅴ區北部區域碳密度較低。地下生物量碳密度變化范圍為0.002—0.258 t/hm2,平均碳密度為0.061 t/hm2,平均碳密度在各區域之間Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ,與地上生物量碳密度相同,但在空間分布上略有不同,地下生物量碳密度在黃土高原低緯度地區自東向西呈先降低后升高的趨勢,高緯度地區呈自東向西逐漸降低的趨勢。土壤有機碳密度變化范圍為0.06—0.62 t/hm2,平均碳密度為0.246 t/hm2,各生物氣候區平均碳密度Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ,整體呈現自東北向西南先降低后升高的趨勢,但東部地區略高于西南部與青藏高原交界的高海拔丘陵地區。草地生態系統總碳密度變化范圍為0.088—0.768 t/hm2,平均碳密度0.316 t/hm2,在各區域間Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ,與森林生態系統相同,草地生態系統總碳密度空間格局與其土壤有機碳密度空間格局相似(圖4)。

圖4 草地生態系統碳儲量空間分布Fig.4 Spatial distribution of carbon storages in grassland ecosystems of the Loess Plateau

圖5 農田生態系統碳儲量空間分布 Fig.5 Spatial distribution of carbon storages in cropland ecosystems of the Loess Plateau

2.4 農田生態系統碳儲量現狀及碳密度空間分布

農田生態系統僅占黃土高原地區總面積的15%,主要分布在黃土高原東南部的關中平原地區、東部的汾河流域地區以及黃土高原北部陰山以南的河套地區,其他地區分布較少且不集中。農田生態系統總碳儲量約為0.21 Pg,占黃土高原總生態系統碳儲量的9%,各生物氣候區農田土壤有機碳儲量分別為0.094(Ⅰ)、0.035(Ⅱ)、0.04(Ⅲ)、0.023(Ⅳ)和0.014 Pg(Ⅴ)。位于黃土高原東南的生物氣候Ⅰ區最大,西北部的生物氣候Ⅴ區最小,整體自東南向西北逐漸減小,但Ⅲ區略高于Ⅱ區。

農田生態系統土壤有機碳密度的變化范圍為0.049—0.374 t/hm2,平均值為0.212 t/hm2,最高值出現在生物氣候Ⅱ區,最低值出現在生物氣候Ⅳ區,各生物氣候區的農田生態系統碳密度平均值分別為0.224、0.193、0.204、0.223和0.197 t/hm2,Ⅰ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅱ。其空間分布如圖5所示,黃土高原南部秦嶺北部的關中平原地區以及黃土高原西南青海東部的丘陵地區碳密度較高向北逐漸降低。

2.5 黃土高原不同碳庫碳密度空間分布影響因素分析

黃土高原地區地上生物量碳密度隨經度增加而極顯著增加,隨著緯度升高,海拔升高而極顯著減小(圖6)；與年均溫度和年均降水呈極顯著正相關,且與年均降水相關系數更高為0.417,即不同空間位置溫度越高降水越多,地上植被生物量越大,地上生物量碳密度越高,但相對溫度,地上生物量碳密度對降水的變化更為敏感(圖6)；與坡度坡向等地形因子相關關系不顯著；與NDVI呈極顯著正相關,相關系數較高為0.394,即NDVI在很大程度上可反映地上植被碳密度高低(圖6)；與土壤粘粒含量與粉粒含量呈極顯著正相關,與砂粒含量呈極顯著負相關,其中與粉粒含量的相關系數最高為0.228(圖6)。

黃土高原地區地下生物量碳密度隨經度增加而極顯著增加,隨著緯度與海拔升高有略增加的趨勢但不顯著(圖6)；與年均溫度和年均降水相關關系不顯著,但存在隨著年均溫度增加而略減小,隨著年均降水增加而略增加的趨勢(圖6)；與地形因子坡向相關關系不顯著,與坡度呈極顯著正相關關系；與NDVI呈極顯著正相關；與土壤粘粒含量呈極顯著正相關,與砂粒含量呈極顯著負相關,與粉粒含量相關關系不顯著(圖6)。

黃土高原地區0—100 cm 土壤有機碳密度與經度緯度無顯著相關關系,與海拔呈極顯著正相關,即隨著海拔升高,0—100 cm 土壤有機碳密度顯著升高(圖6)；與年均溫度呈極顯著負相關,與年均降水無顯著相關關系,但隨年降水的增加有略減小的趨勢；與地形因子坡向無顯著相關關系,與坡度呈極顯著正相關(圖6)；與NDVI呈極顯著正相關；與土壤粘粒含量呈極顯著正相關,與粉粒與砂粒含量無顯著相關關系(圖6)。

圖6 碳密度與各因子相關性Fig.6 Correlation between carbon density and various factorsAGBC:地上生物量碳密度 Aboveground biomass carbon density； BGBC:地下生物量碳密度 Belowground biomass carbon density；SOC:土壤有機碳密度 Soil organic carbon density;***：P<0.001；**：P<0.01；*：P<0.05

路徑分析結果表明,氣候、海拔、地形、植被覆蓋、土壤質地等因素均對黃土高原生態系統碳密度空間分布有不同方式、不同程度的影響。各因子解釋了12%的地上生物量碳密度空間變異(圖7a),總作用系數由大到小分別為海拔(-0.26)、NDVI(0.18)、年均降水(0.13)、粘粒含量(0.12)、坡度(0.10)、年均氣溫(0.02)、砂土含量(-0.01),海拔的直接作用路徑系數最高(-0.23),粘粒含量次之(0.11),氣象因素中,年均降水較年均氣溫作用更強。各因子對地下生物量碳密度空間變異的解釋率為8%(圖7b),總作用路徑系數不同:年均氣溫(-0.24)、NDVI(0.19)、年均降水(0.16)、海拔(0.15)、砂粒含量(-0.08)、粘粒含量(0.02),其中,氣象因子年均氣溫的直接路徑系數(-0.21)以及總路徑系數(-0.24)均為最大,NDVI(0.19)次之。非農田生態系統土壤有機碳密度路徑模型解釋了其44%的空間變異(圖7c),各因子總作用系數由大到小分別為年均降水(0.79)、NDVI(0.35)、海拔(0.19)、地上生物量碳密度(-0.15)、粘粒含量(0.11)、地下生物量碳密度(0.11)、坡度(0.06)、年均氣溫(0.05)、砂粒含量(-0.03),其中,海拔因子直接作用系數最高(0.76),其次為年均降水(0.52),NDVI(0.43),地上生物量碳密度(-0.15),地下生物量碳密度(0.11)。農田生態系統土壤有機碳路徑模型可解釋其空間變異的32%(圖7d),納入模型各因子主要為氣象因子、土壤質地因子、以及海拔和地形因子,各因子總作用系數由大到小分別為粘粒含量(0.72)、粉粒含量(-0.31)、海拔(0.07)、年均氣溫(0.07)、年均降水(0.06)、坡度(0.04)。

圖7 黃土高原不同碳庫碳密度影響因子路徑分析Fig.7 Pathway analysis of carbon densities in different carbon pools on the Loess Plateau AGBC:地上生物量碳密度 Aboveground biomass carbon density； BGBC:地下生物量碳密度 Belowground biomass carbon density；SOC:土壤有機碳密度 Soil organic carbon density；實線和虛線分別表示正路徑系數和負路徑系數,線粗度表示路徑系數相對大小；R2表示變量方差被解釋比例；***:P<0.001; **:P<0.01; *:P<0.05

3 討論

3.1 黃土高原地區生態系統碳儲量的空間分布

本研究估算出黃土高原生態系統總碳儲量約為2.29 Pg(表2),該估計值低于Liu等[15]利用Invest模型估算的結果(3.96 Pg),主要由不同的估算方法所導致。本研究估算黃土高原森林生態系統平均碳密度約為0.67 t/hm2,碳儲量約為0.98 Pg。高陽[31]對黃土高原典型自然林與人工林基于大量的樣點調查進行估算的碳密度以及牛春梅[32]對黃土高原中西部刺槐人工林碳密度進行的估算結果均遠高于本研究估算結果。這種估算結果的差異,一方面由于已有研究多基于單一流域、單一樹種或典型森林進行的碳密度估算,所選樣點并不能代表整個黃土高原森林碳密度的平均水平。基于遙感解譯的森林生態系統以及數據集收集的森林樣點中包含較多疏林地,郁閉度較低,碳密度顯著低于典型森林；另一方面,本研究在對森林碳密度進行插值估算時,將數據點極少且空間分布不均的灌木樣點納入森林生態系統,而灌木生物量顯著低于典型高大喬木林,會對整體插值結果造成一定影響,使估算結果偏低。本研究中,黃土高原草地生態系統碳儲量約為1.07 Pg,這一結果低于Wang等[14]的研究結果(1.46 Pg),但高于程積民等[33]的研究結果(0.57 Pg),造成這一差異的原因更多來源于采樣時間的不同,隨著一系列生態恢復措施在黃土高原的實施,黃土高原草地植被覆蓋度固碳能力顯著提高,固碳量增加[8]。本研究中,黃土高原地區農田生態系統平均碳密度約為0.212 t/hm2,碳儲量約為0.21 Pg,該結果低于張圣民[18]的研究結果(0.227 t/hm2,0.45 Pg)以及Tang等[34]的研究結果(0.54 Pg),評估結果的不一致主要來源于碳儲量估算的源數據和估算方法的不同。

現有研究對于區域植被碳儲量的大尺度估算多基于國家清查資料、多源遙感數據建模或生態系統模型,如InVest模型[35],部分研究基于區域大量實測樣點通過算術平均對區域植被及土壤碳密度碳儲量進行估算,但碳密度在區域內的分布是一個連續變化的曲面,基于樣點對區域碳密度的進行直接估算時,對其空間分布要求較高,采樣點分布的均勻程度決定著采樣點對于區域整體的代表性。相比前人研究,本研究基于大量實測樣點數據進行克里金空間插值,將大量的一維點數據插值到整個區域,形成空間二維連續面數據,基于面柵格數據對各區域碳密度碳儲量進行了更準確的統計估算,避免了結合各因子模型模擬以及樣點不均勻帶來的高不確定性。但克里金插值方法也存在一定的不確定性,該地統計插值方法為模擬出一個連續變化曲面存在對空間不同位置碳密度低值預測偏高,高值預測偏低的現象,導致預測變化范圍小于實際變化范圍,但對整體均值影響較小,此外,由于數據獲取困難及大部分農田植被的人工定期收獲,本研究對于生態系統碳儲量的估算不包括凋落物以及農田生物量部分,這會對生態系統碳儲量估算造成不同程度的影響,使估算結果較其他研究整體偏低。

3.2 黃土高原地區生態系統碳儲量空間分布的影響因素

由于經緯度與地形的不同,直接或間接決定了黃土高原降水、溫度等氣象因子以及土壤質地的空間分異,氣候及地形因子很大程度上決定著陸地植被生產力以及生物群落組成,土壤質地的不同也會對土壤的水、熱、氣、養分的分配與循環有不同程度的作用[36],進而影響植被生長與土壤有機碳的礦化,從而對生態系統生物量碳與土壤有機碳的空間格局進行調控。相關分析以及路徑分析結果表明,氣候(年均溫度、年均降水)、海拔、地形(坡度)、土壤質地、植被覆蓋狀況對黃土高原不同碳庫碳密度空間格局均有不同程度影響,其中氣候以及土壤質地是最重要的影響因素。在黃土高原區域尺度上,溫度和降水具有明顯的空間分布特征,均呈自東南向西北逐漸降低的趨勢,這與黃土高原植被碳密度空間格局相似。溫度和降水決定著不同地理位置水熱條件,通過對植被光合作用凈初級生產力的影響,對黃土高原植被的空間分布進行調控[25],本研究結果顯示,較溫度而言,降水對地上生物量碳密度的影響更為顯著,這與辛曉平[37]等的研究結果相同,在干旱半干旱的黃土高原地區,降水作為土壤水分的唯一來源,是限制植被生產力的主要因素,較高的降水量會導致植被生產力的增加,從而導致植物生長密度的增加,植被生物量碳密度的增加。土壤有機碳密度高低取決于有機質輸入與輸出分解之間動態平衡關系,隨著降雨量增加、溫度升高,地上植被和地下根系生物量增加,土壤有機質主要輸入物質凋落物和根系沉積物增加,但土壤微生物活性也相應提高,有機質分解速率也相應加快[38-39],總體而言,黃土高原地區降水及溫度對土壤有機碳密度具有正效應,即自西北向東南降雨量與溫度增加,凋落物以及根系對土壤有機質的輸入量大于其礦化分解量,這一研究結果與Nie[38],Chen等[40]研究結果相同。

在較小的地理單元內,海拔,坡度等因子也顯著影響著植被及土壤有機碳密度。海拔控制著局地溫度與降水的梯度變化,直接或間接影響著生態系統碳密度[41]。隨著海拔升高,溫度不斷降低,一方面會限制植被的生長,另一方面,也會限制土壤有機碳的分解,有利于其積累。路徑分析結果顯示,隨著海拔的升高,地上生物量碳密度顯著降低,地下生物量碳密度升高,這一現象可用植被的垂直地帶性分異解釋,隨著海拔升高,氣溫下降,降雨量減少,植被類型多從喬木林向灌木林草地過渡,植被地下根系更為發達；隨著海拔升高,非農田土壤有機碳與農田土壤有機碳密度均增加,這一結論與唐朋輝[42]Tashi等[43]的研究結果相同。坡度作為重要的地形指標不僅代表著地表傾斜程度,也影響著植被分布、植被碳密度與土壤有機碳密度。本研究結果表明,地上生物量碳密度與土壤有機碳密度均呈隨坡度增大略增加的趨勢,生物量較高的森林多分布在黃土高原東南與東部高山丘陵區,自東南向西北地勢逐漸平緩,植被逐漸從半濕潤森林、半濕潤半干旱林草區向荒漠草地、干旱荒漠區過渡,植被生物量與土壤有機碳含量均降低。

除氣候與地形因子外,不同碳庫碳密度空間格局均可不同程度地被土壤質地顆粒組成解釋,其中,粘粒含量對各碳庫碳密度均具有正效應,對農田土壤有機碳的總作用系數最大,這一結果與已有研究結果相同[44-45]。Ge等[44]的研究顯示農田以及森林生態系統中較好的土壤質地即較高的粘粒與粉粒含量,土壤有機碳含量更高；Liu等[45]對黃土高原大量樣點分析結果顯示土壤有機碳含量隨土壤粘粒粉粒含量的增加而增加。土壤顆粒組成以粒徑較小的粘粒和粉粒為主時,土壤顆粒具有較大的表面積,使土壤中有機質更易與其結合,形成各粒徑土壤團聚體,對有機質形成物理保護作用,減緩土壤有機質在微生物作用下的分解[36]。與地上生物量碳密度與土壤有機碳密度相比,地下生物量碳密度路徑模型解釋率較低。黃土高原分布最廣泛的生態系統為草地生態系統,有研究表示,與地上植被相比,草地根系周轉周期較長,可達數十年,因此,地下生物量碳庫的空間格局動態機理更為復雜[37]。

3.3 黃土高原地區生態系統碳儲量與全國平均水平的比較

黃土高原地區約占我國陸地總面積的6.7%,生態系統總碳儲量約為2.29 Pg,僅占我國陸地生態系統碳儲量[20](99.15 Pg)的2.3%。黃土高原平均植被碳密度約為0.155 t/hm2,略低于全國平均植被碳密度(0.158 t/hm2),平均土壤有機碳密度約為0.261 t/hm2,也低于全國平均水平0.913 t/hm2。雖經過退耕還林(草)等一系列的生態恢復措施的實施,黃土高原植被覆蓋率顯著上升,固碳量有所增加,但整個生態系統碳密度水平仍遠低于我國平均水平。未來研究應著力于結合多因子探明黃土高原地區不同碳庫不同區域固碳潛力,對黃土高原地區不同生物氣候區制定不同生態管理措施,如對于溫度降水條件較好,植被碳密度較高的生物氣候Ⅰ區,應著重保護或加大植樹造林力度,對于植被碳密度較低但土壤有機碳密度較高,生物氣候Ⅳ區西南部與青藏高原交界處的高海拔地區,應采取合理土地管理措施以保護土壤有機碳,并增強自然保護措施,增加植被碳密度。本研究為黃土高原地區提供了可靠的碳儲量現狀評估數據,并揭示了黃土高原地區各碳庫碳密度的空間格局影響因素,對于黃土高原地區生態恢復效益評估以及未來管理者對土地管理以及生態保護政策的制定與優化提供了參考,有利于黃土高原地區固碳效益的提高,在未來氣候變化的背景下為全球碳平衡做出更大貢獻。

4 結論

黃土高原地區總碳儲量約為2.29 Pg,植被與土壤有機碳密度均低于全國平均水平,森林、草地、農田生態系統碳儲量分別占總碳儲量的43%,48%,9%。地上生物量碳儲量,地下生物量碳儲量,土壤有機碳儲量分別占總生態系統碳儲量的19%、14%和67%。各碳庫組分碳密度均存在較強的空間變異性,大致呈自東南向西北逐漸減小的趨勢。氣象、地形、土壤質地、植被覆蓋狀況等因子中,年均降水、海拔、粘粒含量是影響碳密度空間格局的重要因素。未來應針對不同地區碳儲量背景以及不同環境條件采取不同的區域管理措施,以提高黃土高原地區生態系統碳儲量。另外,本研究僅包含了黃土高原森林(含灌木)、草地和農田生態系統,且不同尺度的數據提取存在一定的誤差,未來應納入更多的生態系統類型,如濕地等,結合更多環境因子,使用更加精確的估算方法,如結合輔助變量的插值方法等,降低研究的不確定性,更準確地對黃土高原碳儲量進行評估。